CN1378334A - 直流电源装置和空调机 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种直流电源装置和空调机,包括在开关元件(6)导通时通过扼流圈(3)将交流电源(2)短路、强制地对扼流圈进行通电的第1二极管桥式电路(4),和在交流电压的各过零点之后规定的短时间内、使开关元件导通的同时,并在第1导通后所规定的延迟期间后在比短期间更加短的期间、使开关元件再次导通的控制电路(7),将第1、第2二极管桥式电路和开关元件整体构成为1个半导体模块。本发明提供了组装作业性好并且电磁波噪音小的小型轻量的直流电源装置。

Description

直流电源装置和空调机

本申请是发明名称为“直流电源装置和空调机”、申请日为1998年6月26日、申请号为98115297.X的母案的分案申请。

本发明涉及将来自交流电源的交流电变换成直流电的直流电源装置。特别涉及在交流电输入侧串联***扼流圈的直流电源装置。

以往，在电容输入型的直流电源装置中，其输入电流仅在输入电压大于电容器电压时流动，另外，因在该时间内没有限制电流的元件，所以输入电流的峰值很大，成为通电宽度狭窄的脉冲状的电流。为了防止这种情况的发生，过去已提议的有在输入电路中***扼流圈同时改善功率因数和电源高次谐波的方法。但是，为了得到这些效果，扼流圈的电感必须很大，而且，如果增加电感，则由于电流相位滞后导致的直流电压降增大、最大输出功率降低。

因此，本申请人为了利用电感小的的扼流圈以改善输入电流波形和输出直流电压，提出在其扼流圈中强制地通电、能同时得到功率因数的改善和高次谐波的降低的直流电源装置，另外还进一步提出了抑制因这种控制发生的扼流圈振动噪音的控制方法。

图7表示以往未公开的直流电源装置的一例的电子电路图，在市电电源等的交流电源101的一输出端上串联***扼流圈102。

在扼流圈102的另一端上连接作为短路电路的第1二极管桥式电路103和作为整流电路的第2二极管桥式电路104的一输入端，在这些第1、第2二极管桥式电路103、104的另一输入端上连接交流电源101的另一输出端。

在第1二极管桥式电路103的两输出端上连接例如MOSFET等组成的开关元件105，在这种开关元件105上连接例如由微处理器等组成的控制电路106。此外，在图4中，标号107表示倍压电容器，标号108表示滤波电容器，标号109表示负载。

而且，借助于将来自控制电路106的规定的功率因数改善脉冲在交流电源各过零点之后规定的时间内提供给开关元件105，对这种开关元件105进行导通/断开控制，通过扼流圈102和第1二极管桥式电路103使交流电源101的输出侧两端短时间短路，强制地使扼流圈102通电，使电源导通角增大。因此，能不增大扼流圈102又同时能得到功率因数的改善和高次谐波的降低。

但是，因由于扼流圈102的强制通电和切断的电流急剧变化会在扼流圈102中发生噪音，所以借助于在从控制电路106输出功率因数改善脉冲后设置规定的延迟时间、将规定的噪音降低脉冲提供给开关元件105，也能降低前述扼流圈102的噪音。

然而，来自交流电源101的交流电在利用前述功率因数改善脉冲短路的第1二极管桥式电路103中短时间流过后，这种第1二极管桥式电路103一被开路，就将其电流切换到第2二极管桥式电路104侧。此外，在利用噪音降低脉冲再次进行短路时，包含第2二极管桥式电路104的反向恢复电流的不连续电流，流过第1、第2二极管桥式电路103、104。

图8表示在这种第1二极管桥式电路103短路和再短路时，包含流过第1、第2二极管桥式电路103、104之间的反向恢复电流的不连续电流，图8(A)是表示在第2二极管桥式电路104侧流过的不连续电流。图8(B)是表示在第1二极管桥式电路103侧流过的不连续电流。

图9(A)、图9(B)是表示在开关元件105附近流过的前述不连续电流的放大图。发生前述的不连续电流，可能会破坏桥式电路，可靠性不好。

但是，在这种直流电源装置中，因利用独立的半导体模块，分别构成第1、第2二极管桥式电路103、104和开关元件105，所以如图7中小圆圈所示，这些合计的外部端子数，因第1二极管桥式电路103是4个端子，第2二极管桥式电路104是4个端子，开关元件105是3个端子，所以其结果是共计11个端子，因此该装置的问题是，包含外部端子连线的组装作业性差，可靠性低。

另外，因这些第1、第2二极管桥式电路103、104及开关元件105根据其电气规格分别设置散热装置，所以很难实现小型化和轻量化。

此外，由于开关元件105的开关而导致的不连续电流及由于再短路而产生的尖峰状反向恢复电流所流过的电流路径是第2二极管桥式电路104的第1二极管D1→第1二极管桥式电路103的第5二极管D5→开关元件105→第7二极管D8，因流过3个半导体模块103、104、105之间，所以还存在向外部放射的电磁波噪音也增大的问题。

这里，本发明考虑到前述情况，其目的在于提供组装作业性好并且电磁波噪音小的小型轻量的直流电源装置。

本发明的直流电源装置，包括：

一对交流电源线，

串联***到所述交流电源线的扼流圈，

将与交流电源线连接的、通过扼流圈从交流电源供给的交流电整流成直流电的由4个二极管组成的二极管桥式电路，

与所述二极管桥式电路的直流输出连接的、对所述直流输出进行滤波的电容器，

具有将阳极侧连接在各交流电源线上的共同连接阳极侧的2个二极管，和串联***到所述2个二极管的共同连接部分与所述二极管桥式电路的负极侧的输出之间的开关元件，并在开关元件导通时，通过所述扼流圈对所述交流电源进行短路，强制地对所述扼流圈进行通电的短路电路，

与所述交流电源连接的、检测所述交流电压的过零点的过零点检测电路，

在所述过零点检测电路检测的所述交流电压的各过零点之后规定的短时间内、将使所述短路电路开关元件导通的信号提供给所述开关元件的控制电路。

图1表示与本发明实施例1相关的直流电源装置的电子电路图。

图2表示与本发明实施例2相关的直流电源装置的电子电路图。

图3表示与本发明实施例3相关的直流电源装置的电子电路图。

图4表示与本发明实施例4相关的直流电源装置的电子电路图。

图5表示以往的直流电源装置的电子电路图。

图6表示在空调机中使用本发明的直流电源装置实施例5的结构的方框图。

图7表示以往未公开的直流电源装置的电子电路图。

图8(A)表示以往未公开的直流电源装置的第2二极管桥式电路侧中流过的不连续电流的波形图。

图8(B)表示以往未公开的直流电源装置的第1二极管桥式电路侧中流过的不连续电流的波形图。

图9(A)表示图8(A)所示的不连续电流在开关元件附近流动的场合的放大电流波形图。

图9(B)表示图8(B)所示的不连续电流在开关元件附近流动的场合的放大电流波形图。

下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。

实施例1

下面，参照图1至图3对本发明的实施例进行说明。在这些图中对相同或者相当的部分附以相同的标号。

图1表示与本发明实施例1相关的直流电源装置1的电子电路图。该直流电源装置1在市电电源的交流电源2的一输出端上串联连接扼流圈3。该扼流圈3的另一端，分别连接到由4个二极管组成的导通方向一致的第1二极管桥式电路4和构成全波整流电路的第2二极管桥式5的一输入端上。在交流电源2的另一输出端上分别连接第1、第2二极管桥式电路4、5的另一输入端。

将第1二极管桥式电路4的两个输出端连接到由双极型晶体管、IGBT、MOSFET等组成的开关元件6的集电极和发射极之间，在这种开关元件6导通时，通过第1二极管桥式电路4和扼流圈3，构成将交流电源2的输出侧的两端短路的短路电路。

将开关元件6的栅极连接到由微处理器等组成的控制电路7上，并由这种控制电路对开关元件6进行导通/断开控制。

在控制电路7的输入侧，设置由光电耦合器及电流互感器等组成的未图示的过零检测电路，将这种过零检测电路的输入侧连接到交流电源2的输出端。由此，这种过零检测电路将检测交流电源2的交流电压通过零点、即过零点OX的时刻并输出的检测信号供给控制电路7。

控制电路7在所述各过零点OX之后规定的导通时间内，将功率因数改善脉冲提供给开关元件6，同时在从这种功率因数改善脉冲规定的延迟时间后，将脉冲宽度比功率因数改善脉冲小的噪音降低脉冲提供给开关元件6。

为了达到改善直流电源装置1的功率因数和降低高次谐波的目的，功率因数改善脉冲是从电源电压波形AC的各过零点OX开始的规定时间内(例如数msec)输出的脉冲。噪音降低脉冲是为了降低因功率因数改善脉冲强制地使扼流圈3通电使通过电流急剧地变化而产生的扼流圈3的噪音，在各功率因数改善脉冲规定的延迟时间后增加的脉冲。

而且，噪音降低脉冲对于各功率因数改善脉冲延迟的时间和各噪音降低脉冲的再导通时间的各最佳值，是扼流圈3的固有振动波长的大致1/6左右，例如是大约20μsec左右的极短的时间。

另外，通过倍压电容器8、9和滤波电解电容器10，将第2二极管桥式5的输出端连接到负载11上。由此，利用第2二极管桥式5和倍压及滤波电解电容器8、9、10，对来自交流电源2的交流电压进行倍压整流，而且，将滤波的直流电压供给到负载11上。

因此，当从交流电源2输出交流电压时，通过扼流圈3就将这种交流电压供给到由第2二极管桥式5和倍压及滤波电解电容器8、9、10组成的倍压整流电路中，并产生直流电压供给负载11，同时，当这种交流电压通过过零点OX时，利用过零检测电路8检测这种过零点OX，借助于从这种过零检测电路8输出的检测信号，驱动控制电路7。

由此，控制电路7在交流电压的过零点通过后，在规定时间内产生功率因数改善脉冲和噪音降低脉冲，并提供给开关元件6。

开关元件6在对应的功率因数改善脉冲和噪音降低脉冲驱动下处于，导通状态。这样，交流电源2的两端通过第1二极管桥式电路4及扼流圈3而短路。由此，对应于功率因数改善脉冲，开关元件6通过扼流圈将交流电源2短路，即使在输入电压小于电容器电压的时间内，扼流圈3也能通电，存储电能，增大交流电源2的电气导通角。因此，能改善直流电源装置的电源功率因数，同时降低高次谐波。

另外，在对应于噪音降低脉冲开关元件6导通时，在利用功率因数改善脉冲短路扼流圈3后，能降低因切断扼流圈3的短路、使短路电流断开而产生的电流急剧变化的噪音。

而且，借助于在1个半导体外壳12a中集中安装所述第1、第2二极管桥式电路4、5和开关元件6的这3个电路，能整体构成1个半导体模块。

因此，使以往至少3个必要的外壳12a减少到1个，能谋得装置整体的小型化轻量化。

因用1个外壳1 2a共同构成这些第1、第2二极管桥式电路4、5和开关元件6的外壳，所以能不必通过个别的各个外壳，接近配置并连接这些半导体电路。因此，因能缩小其连接路径的长度和面积，所以能降低因这些连接路径而产生的寄生电容和电感，提高可靠性。

此外，虽然在第1、第2二极管桥式电路4、5中流过互补的不连续电流和因再导通(短路)控制而产生的第2二极管桥式5的反向恢复电流，会发生高次谐波噪音，但在本实施例中，因不通过各外壳接近配置第1、第2二极管桥式电路4、5，并在外壳12a中连接，所以能降低从这些电流流过的电流路径向外部发射的高次谐波噪音的发生。

而且，因用1个外壳12a共同构成这些第1、第2二极管桥式电路4、5和开关元件6的外壳，所以如图1这小圆圈所示，能减少这种外壳12a的外部端子成为2个交流输入端子ACin、2个直流输出端子DCout、和2个控制信号输入输出端子cont共计6个端子。

因此，因能减少这6个外部端子和交流电源2和扼流圈3等的外部元件的连接点，所以能同时提高包含这种连接作业的组装作业的作业性和可靠性。

借助于在控制电路7的输入侧通过光电耦合器连接未图示的交流电源过零检测器等的外部元件，能电气隔离控制电路7和检测器等的外部元件，所以能防止由于电磁波噪音而导致的控制电路7的误动作。

实施例2

图2表示与本发明实施例2相关的直流电源装置1A的电子电路图。其特征在于，与第1、第2二极管桥式电路4、5和开关元件6一起、将包括未图示的驱动用电源的控制电路7，集中安装在1个外壳13a中，整体构成1个半导体模块13，另一方面，设置主熔丝14和辅助熔丝15。

在交流电源2的一输出端上串联***主熔丝14，在扼流圈3的一端和外壳13a的短路电路输入端子16之间串联***辅助熔丝15。使用的主熔丝14的电流额定值比辅助熔丝15的额定值大。短路电路输入端子16是通过扼流圈3专门用于在第1二极管桥式电路4的一端输入交流电的外部端子。

因此，采用这种直流电源装置1A，则因能在1个共同的外壳13a中与第1、第2二极管桥式电路4、5和开关元件6接近配置并连接控制电路7，所以能谋得该共同外壳13a的进一步小型化，而且，能缩小该外壳13a中的内部连接部分的长度和面积。因此，能降低由于内部连接部分产生的寄生电容和电感并提高可靠性，而且，能降低高次谐波噪音。

此外，因控制电路7包括驱动用电源，所以能在控制电路7中连接交流电源过零检测器等的外部元件并容易进行外部控制。

而且，假设即使开关元件6损坏，由于辅助熔丝15熔断，所以能防止作为短路电路的第1二极管桥式电路4的损坏。此外，即使辅助熔丝15熔断，也因主熔丝14的额定电流比辅助熔丝15大，所以，通过主熔丝14，能将来自交流电源2的交流电继续供给到整流电路的第2二极管桥式5中，并继续运行。

在万一从交流电源2输出涡流的场合，因主熔丝14熔断能防止涡流，所以能防止扼流圈以后的各电路元件等的损坏。

实施例3

图3表示与本发明实施例3相关的直流电源装置1B的电子电路图。其特征在于，是在前述实施例2中，在熔丝17形成与开关元件6的例如发射极侧连接的内部导体例如焊线。

采用本实施例，则即使在万一开关元件6损坏、在发射极侧流过涡流的场合，因能借助于熔丝17熔断防止第1二极管桥式电路4的损坏。

因此，因能删除图2所示的辅助熔丝15和与其连接的短路电路输入端16，所以能进一步改善组装作业。

实施例4

图4表示与本发明实施例4相关的直流电源装置1C的电子电路图。其特征在于，这种直流电源装置1C，是借助于共用图5所示的以往的直流电源装置1D的整流电路5的第3、第4二极管D3、D4作为短路电路4的第7、第8二极管D7、D8，删除这种第7、第8二极管。

也就是说，如图5所示，以往的直流电源装置1D，利用4个二极管D1、D2、D3、D4形成桥式电路，构成整流电路5，另一方面，利用4个二极管D5、D6、D7、D8形成短路电路4的桥式电路。

短路电路4是这样的，利用作为其驱动电源装置而且作为控制电路7的栅极驱动器电源装置7a，对作为开关元件6的IGBT6a进行导通/断开控制。

与此相对应，图4所示的本发明的直流电源装置1C，借助于共用分别将阳极连接在整流电路5的输出端的负极侧上的第3、第4二极管D3、D4作为短路电路4的第7、第8二极管D7、D8，可删除图5所示的第7、第8短路二极管D7、D8，同时将栅极驱动电源装置7a的输入侧和IGBT6a的源极侧与整流输出的负极侧电气连接。

因此，在这种直流电源装置1C中，利用栅极驱动电源装置7a使IGBT6a导通，这时，电源2的电压在第1、第5二极管D1、D5的阳极侧，即图4中A点是正时，来自电源2的电流使扼流圈3通电，然后分流到第1和第5二极管D1、D5，分流到第1二极管D1的电流用滤波电容器10滤波。另一方面，分流到第5二极管D5的电流，进一步在IGBT6a→第4二极管D4→电源2的路径中流动。因此，因通过扼流圈3使电源2的输出侧两端短路，强制地使扼流圈3通电，并在扼流圈3中有效地存储能量，所以能同时谋得功率因数的改善和高次谐波的降低。

另一方面，在IGBT6a导通时，电源2的电压在第1、第5二极管D1、D5的阳极侧，即图4中A点是负、B点是正时，来自电源2的电流分流到第2和第6二极管D2、D6，分流到第2二极管D1的电流在滤波电容器10→第3二极管D3的路径中流动。另一方面，分流到第6二极管D6的电流，进一步在IGBT6a→第3二极管D3→扼流圈3→电源2的路径中流动，并通过扼流圈3使电源2的输出侧两端短路。

而且，当将IGBT6a控制成断开、这时A点是正时，通过扼流圈3的来自电源2的电流在第1二极管D1→滤波电容器10→第4共用二极管D4的路径中流动。

在IGBT6a断开时、B点是正时，来自电源2的电流在第2二极管D2→滤波电容器10→第3二极管D3→扼流圈3的路径中流动。

因此，因共用第3、第4整流二极管D3、D4作为第7、第8二极管D7、D8，所以借助于删除这些第7、第8二极管D7、D8，能减少到6个二极管D1～D6。因此，能同时谋得直流电源装置1C的结构的简单化和降低成本。

此外，因这种直流电源装置1C将IGBT6a的源极连接到整流输出的负极侧，所以作为这种IGBT6a的驱动电源、能直接共用未图示的逆变器电路的栅极驱动电源7a。因此，能将2个电源装置删减成1个，能同时谋得结构的简单化和降低成本。

实施例5

图6表示在空调机中使用本发明的直流电源装置的实施例5的结构的方框图。本实施例包括作为将交流电变换成直流电的变换器装置的直流电源装置和将从这种直流电源装置输出的直流电变换成可变电压、可变频率的交流电，并供给压缩机的驱动电机的逆变器装置。这里使用的直流电源装置，是图1所示的直流电源装置，图1中的负载电阻11为通过逆变器装置30连接的压缩机驱动电机33。

这种空调机由室内机和室外机构成，将室内机连接到交流电源。而且，在室内机中，通过噪音滤波器从交流电源2将动作电能供给到室内控制单元23中。在室内控制单元23中，连接有接收来自遥控装置24的指令的接收单元25、检测室内温度的温度传感器26、通过未图示的室内热交换器使风在室内循环的室内电扇28及变换排出空气方向的百叶窗29。另一方面，在室外机中也通过噪音滤波器31、从交流电源2将动作电能供给到室外控制单元35和压缩机驱动电机33中。这种场合，在噪音滤波器31的负极侧设置电流检测器32，并将这种检测信号输入到室外控制单元35中。控制电路7监视噪音滤波器31的负载侧的交流电压，并内装检测过零点的过零检测器。在室外控制单元35上连接有检测室外热交换器温度的温度传感器36、对应于运转方式变换冷却媒体循环方向的四通阀37及将风送入未图示的室外热交换器中的室外电扇38。所构成的室外控制单元35与室内控制单元23进行信号发送接收并对逆变器装置30进行控制，同时对控制电路7进行导通/断开切换的继电器34进行操作。

下面，对前述结构的空调机的实施例的大致动作进行说明。

首先，通过接收单元25从遥控装置24将运转开始、运转方式、室内设定温度、室内电扇的风速、风向等指令施加到室内控制单元23上。与此对应，室内控制单元23在显示器27上显示运转状态等，执行室内电扇28和百叶窗29的驱动控制。同时对应于设定温度和室内温度的偏差、对驱动压缩机驱动电机33的电源频率(下面称为压缩机频率)进行运算，并与运转方式信号一起将压缩机频率信号发送到室外控制单元35中。室外控制单元35对应于运转方式信号使四通阀37成为励磁(或者非励磁)状态，并根据压缩机频率对逆变器装置20进行控制，驱动室外电扇38，同时利用设置在室外交换器中的温度传感器36的检测信号等，控制四通阀17并进行除霜运转等。当电流检测器32的电流检测值超过预先设定的设定值时，室外控制单元35使设置在控制电路7的输入线中的强制短路通电继电器34成为导通状态，对于构成直流电源装置的扼流圈Lin执行强制短路通电控制。利用控制电路7的强制通电控制，能谋得电源高次谐波的降低和功率因数的改善，同时当电流检测器32的电流检测值超过设定值时，调整对于扼流圈Lin的强制通电的相位区间，执行控制，将在规定的限制值内更多的功率供给压缩机驱动电机33。如前述实施例所示，在空调机中使用本发明的直流电源装置的场合，能谋得空调机的压缩机驱动用的电源装置的小型化轻量化。

如前所述，因本发明借助于将整流电路、短路电路和开关元件集中在1个外壳中，整体构成1个半导体模块，所以使以往至少必须3个半导体模块的外壳减少到1个，能谋得装置整体的小型化轻量化，同时能减少其外壳的端子数。为此，能减少将这些端子与外部元件的连接作业，所以能改善装配作业的作业性。

另外，因将这些整流电路、短路电路和开关元件的外壳共用1个外壳，所以能不必通过各自的各个外壳接近配置并连接这些电路。为此，因能缩小其连接路径和长度和面积，所以能降低由于这些连接路径产生的寄生电容和电感并提高可靠性。

再有，在整流电路和短路电路中，虽然互补的不连续电流和由于再导通(短路)控制而导致整流二极管的反向恢复电流的流动，会发生高次谐波噪音，但因本发明不通过各自的外壳而在1个外壳中接近配置并连接整流电路和短路电路，所以能缩小这些电流流过的电流路径的长度和面积。因此，能减少从这种内部电流路径向外部发射的高次谐波噪音的发生。

Claims (1)

1.一种直流电源装置，其特征在于，包括：

一对交流电源线，

串联***到所述交流电源线的扼流圈，

将与交流电源线连接的、通过扼流圈从交流电源供给的交流电整流成直流电的由4个二极管组成的二极管桥式电路，

与所述二极管桥式电路的直流输出连接的、对所述直流输出进行滤波的电容器，

具有将阳极侧连接在各交流电源线上的共同连接阳极侧的2个二极管，和串联***到所述2个二极管的共同连接部分与所述二极管桥式电路的负极侧的输出之间的开关元件，并在开关元件导通时，通过所述扼流圈对所述交流电源进行短路，强制地对所述扼流圈进行通电的短路电路，

与所述交流电源连接的、检测所述交流电压的过零点的过零点检测电路，

在所述过零点检测电路检测的所述交流电压的各过零点之后规定的短时间内、将使所述短路电路开关元件导通的信号提供给所述开关元件的控制电路。

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